object1311732607

ten20x1000

Окно во вселенную

nauka

... Когда на закате склонится устало вечерней зари пламенеющий сноп, по-рыцарски башня откинет забрало, и ночи навстречу взлетит телескоп. Слегка затаится дыханье планеты под мерное шествие гулких минут, и хлынет под купол мелодия света! ...Ты разве не слышишь, как звезды поют?

В. П. Романенко

СПЕЦИАЛЬНАЯ астрофизическая обсерватория PAH, в которой установлен крупнейший в Евразии оптический телескоп БТА (большой телескоп азимутальный), рефлектор с 6-метровым параболическим зеркалом, существует уже почти полвека — с 1966 года.

60-е годы XX столетия были романтическим временем, когда начинались первые космические полеты, когда бурно развивались такие новые отрасли как ядерная физика и астрофизика, микроэлектроника, вычислительная техника и ракетостроение. И все это было связано не только с задачами обороны, но и со многими другими потребностями страны. Чем дальше уходит от нас эпоха начала космической эры, тем большее количество легенд и вымыслов возникает вокруг проекта строительства телескопа БТА — несомненно, одного из самых успешных в истории отечественной науки и техники.

Прежде всего, хотелось бы объяснить причину создания этого уникального инструмента, поскольку бытует устойчивое мнение, что БТА построен исключительно для того, чтобы обогнать в области астрономической техники США с их 5-метровым телескопом-рефлектором в Калифорнии. Но для того, чтобы рассказать об истинных причинах создания шестиметрового телескопа, необходимо ответить на вопрос: почему новая обсерватория получила название не «астрономическая», а «астрофизическая».

Что такое астрофизика?

Многим, кто имеет поверхностное представление об астрономической науке, кажется, что задачи астрономии связаны в основном с «открытием новых звезд». Но астрофизика — это, главным образом, не просто обнаружение неких объектов во Вселенной (хотя и такое бывает!), но детальное изучение физических процессов, которые в них происходят, — динамики движения и эволюции вещества, выделения энергии, термоядерных реакций и многого другого. Перед наблюдателями разворачивается грандиозная картина

космоса, которая дает колоссальное количество научной информации как в масштабах мегамира, так и на уровне элементарных частиц. Ведь жизнь звезд и галактик в конечном счете обусловлена именно свойствами и взаимодействиями этих частиц. Такую информацию можно получить, в том числе, и с помощью телескопа. Один из выдающихся физиков 50-х -60-х годов академик Л. А. Арцимович говорил о том, что, имея большой телескоп, нет необходимости строить дорогие экспериментальные физические установки, требующие весьма затратной эксплуатации. Конечно, и телескоп — сооружение не дешевое, но его стоимость в разы меньше, чем расходы на создание и поддержку мощного ускорителя (например такого, как европейский большой Адронный Коллайдер).

Однако, для изучения физической картины мира необходимо не только построить хороший телескоп, но и оснастить его достаточно чувствительной и совершенной светоприемной аппаратурой для решения астрофизических задач. Сегодня основную часть астрофизической информации дают оптико-электронные системы, в которых применяются методы спектрального анализа. Излучение астрономического объекта раскладывается в спектр— полосу, подобную радуге. Эта операция выполняется специальным прибором, который называется спектрографом (или спектрометром). В астрофизике применяются спектрографы различных типов и конструкций, в зависимости от выполняемой научной задачи. По мере развития спектральных методов астрофизики оказалось, что, применяя их, можно определять химический состав небесных объектов и их температуру, измерять расстояния до самых дальних галактик и изучать движение газов в их дисках, находить магнитные поля у звезд и оценивать их величину. С помощью спектрограмм оказалось возможным изучать механизмы термоядерных реакций в звездах, распознавать так называемые «черные дыры» и гравитационные линзы. Все это — именно астрофизические явления и эффекты, существующие в большой Вселенной. Таким образом, спектральный анализ стал основным и самым мощным методом, утвердившимся в современной астрофизике.

Однако, этот метод сопряжен и с определенными трудностями, которые особенно сильно проявляются в случаях изучения слабых и удаленных объектов. При разложении потока света (например, света звезды) в спектр ее излучение не концентрируется в точке, а распределяется на плоскости, поэтому яркость изображения заметно уменьшается. Чтобы спектр можно было зафиксировать на фотопластинке (именно этот носитель информации применялся до 70-х годов прошлого века), необходимо было собрать как можно больше света от источника излучения. Эта задача выполнялась и выполняется с помощью вогнутых зеркал большого диаметра (а значит— и большой площади). Именно это стало причиной того, что было решено создать телескоп с зеркалом максимально возможного диаметра. И даже теперь, когда исследуются галактики, удаленные от нас на миллиарды световых лет, проблема количества собираемого телескопом света остается актуальной. Сегодня мы являемся свидетелями создания сверхгигантских телескопов с оптическими зеркалами диаметром в 34, 42 и даже 100 м! Телескопы с 8-10-метровыми зеркалами стали обычными астрономическими инструментами.

Телескоп БТА

В I960 году в СССР вступил в строй телескоп Крымской астрофизической обсерватории с диаметром зеркала 2,6 м, по тем временам крупнейший в Европе. Несколько позже еще один такой же инструмент был установлен в Армении. Однако эти телескопы не могли обеспечить изучение предельно удаленных и слабых объектов далекого космоса методами астрофизики. Поэтому практически одновременно с окончанием их строительства начались проработки проекта инструмента, сравнимого по возможностям с крупнейшим в мире 5-метровым рефлектором, который уже работал на горе Маунт-Паломар.

Главный конструктор телескопа, лауреат Ленинской премии Баграт Константинович Иоаннисиани, отвечая в 1979 г. на вопрос о выборе диаметра зеркала, сказал: «Анализ возможностей промышленности СССР показал, что мы способны построить телескоп максимум с 6-метровым зеркалом. Именно это, прежде всего, а не чье-то острое желание любой ценой перегнать США стало основой для выбора размера телескопа».

Первое техническое задание на сооружение 6-метрового телескопа было сформулировано в 1959 г. в отделе астрономического приборостроения ГАО (Главной астрономической обсерватории, Пулково). А уже 25 марта 1960 г. по представлению Академии наук СССР Совет Министров принял постановление: «О строительстве специальной астрофизической обсерватории АН СССР (CAO АН СССР — прим. автора) и сооружении для нее большого оптического телескопа с диаметром главного зеркала 6 метров». Обсерватория строилась специально для 6-метрового телескопа, отсюда и ее название — специальная.

Следует помнить, что обсерватория — это не только телескоп, смонтированный в куполообразном павильоне (такие павильоны традиционно называют башнями), а целый комплекс зданий, сооружений и коммуникаций с соответствующей инфраструктурой. По масштабу задачи создание обсерватории с крупным телескопом относится к разряду мегапроектов и требует привлечения многих организаций, предприятий и научных коллективов. Официальное название 6-метрового инструмента определено как БТА— большой телескоп азимутальный.

Почему азимутальный? Телескоп — это не просто оптическая труба. Для наблюдения небесных светил необходимо отслеживать их суточное движение по небесной сфере, причем отслеживать очень и очень точно. Для этого труба подвешивается на специальный механизм, который называется монтировкой,— именно монтировка перемещает оптику, компенсируя вращение земли вокруг оси. До БТА все телескопы в мире строились на так называемой экваториальной монтировке, когда оптическая труба подвешивается на одной, но наклонной оси, которая параллельна оси земной и вращается противоположно вращению земли с суточной скоростью (рис. 3).

Не вдаваясь в технические подробности, можно сказать, что такая схема крайне невыгодна для телескопов с большими, а значит — массивными зеркалами. Дело в том, что под действием веса зеркало испытывает деформации, а в экваториальной схеме эти деформации постоянно меняются не только по величине, но и по направлению, поэтому для их компенсации необходимо применять сложные и тяжелые механизмы. Это приводит к значительному возрастанию веса всей конструкции, механических нагрузок и удорожанию телескопа.

В азимутальной схеме труба телескопа подвешивается на горизонтальной оси, поворачиваясь вокруг нее «вверх-вниз», а вся эта конструкция устанавливается на вертикально стоящей «вилке», которая вращается относительно горизонта по азимуту «влево-вправо» (рис. 4).

Таким образом, суточное вращение Земли компенсируется сложением движений относительно двух осей одновременно. В этом случае зеркало испытывает весовые нагрузки лишь в вертикальной плоскости, механизмы компенсации веса можно упростить и значительно снизить вес массы всей конструкции, которая сразу же обретает изящество и становится легкой и гармоничной. Применение экваториальной монтировки для б-метровоготелескопа привело бы к массе не менее 3,5 тыс. тонн, в то время как азимутальная монтировка позволила создать инструмент, подвижная часть которого — не более 700т,т.е. меньше почти в 5 раз! Для больших телескопов азимутальная монтировка была использована впервые в мире.

Выбор места строительства CAO также оказался непростой задачей. Еще в 1959 г., когда первые проектные проработки комплекса только начинались, в ГАО под руководством Н.Н.Кучерова были организованы 16 экспедиций в различные районы СССР для поиска места будущей обсерватории. Исследовались Восточная Сибирь, Средняя Азия, Крым и Кавказ. Предстояло определить районы с наилучшим астроклиматом, с учетом экономических, транспортных и других факторов. Под астроклиматом понимается комплекс условий, в который входят: количество безоблачных ночей в году, прозрачность атмосферы, степень запыленности и пр. транспортные возможности значимы прежде всего потому, что к месту строительства необходимо доставить тяжелые габаритные части телескопа, а также главное зеркало, масса которого, по предварительным расчетам, должна составлять более 40 тонн. В 1962 г. было окончательно решено, что 6-метровый телескоп будет установлен на Северном Кавказе, в Карачаево-Черкесии, на высоте 2070 м у горы Семиродники, что в 25 км от станицы Зеленчукской.

Строительство комплекса CAO началось в 1965 году с прокладки дороги от ст. Зеленчукской к месту установки телескопа. При этом пришлось прорубаться по лесистому склону горного хребта, взрывать скальные выступы, прокладывать дренажные каналы для отвода небольших горных речек. Строго соблюдалось условие, согласно которому уклон дороги не должен превышать 5 градусов.

Но применение такой монтировки приводит ктому, что управление телескопом становится значительно сложнее, чем в экваториальной схеме, поэтому для азимутального телескопа необходимо применение компьютера. Специалисты ЛОМО во главе с Е.М.Неплоховым блестяще справились и с этой проблемой — они создали специализированную вычислительную систему, которая оказалась первым в мире компьютером, управляющим большим телескопом. Сегодня мало кого можно этим удивить, компьютерное управление давно стало обычным явлением во всех областях техники и повседневного быта. Тогда, в начале 70-х годов прошлого века, это был смелый, почти революционный шаг.

Требовалось высокое качество дорожного покрытия, его профиль жестко контролировался лекалами на протяжении всей трассы, на котором находилась самая крупная деталь БТА— опорная платформа, прибыл в Нижний Архыз (фото 9). Здесь ее встретил первый директор CAO, д. ф-м. н. Иван Михеевич Копылов, удивительный человек и замечательный ученый, отдавший этой обсерватории более четверти века.

В то время, когда шло изготовление телескопа, монтажники треста «Южстальконструкция» и строители «Севкавгидростроя» возводили башню телескопа. Особенностью этого здания является то, что его купол весом 1000 тонн должен легко вращаться, повторяя движение самого телескопа по азимуту. Перед наблюдениями на куполе поднимается многотонное забрало и открывается проем, через который свет попадает на поверхность главного зеркала. Все механизмы, обеспечивающие эти движения, монтировались столь же тщательно и аккуратно, как и сам телескоп. Строительство башни высотой 53 метра при диаметре более 42 м было завершено летом 1970 г., и специалисты ЛОМО вместе с монтажниками сразу же приступили к установке и сборке б-метрового телескопа (фото 12).

Наиболее сложной проблемой оставалось изготовление главного зеркала. На Лыткаринском заводе оптического стекла (ЛЗОС, г. Лыткарино) для изготовления этого зеркала в течение трех лет был спроектирован и построен специальный цех. Основное оборудование цеха было уникально и в ряде случаев не имело каких-либо аналогов в мире. Так, здесь была установлена стекловаренная печь на 380 тонн стеклянной массы. Жидкое стекло температурой ~ 1,5 тыс. град, перемещалось в форму для отливки по трубе из чистой платины длиной более 5 м и диаметром 135 мм, которая прогревалась в пламени водорода, чтобы стекломасса не застывала при перетекании. После отливки заготовки ее необходимо было, как говорят специалисты, «отжечь», т. е. медленно охладить сначала с 1050° до 600°, а потом очень осторожно со скоростью 0, 03-0,04 гр. в час с 600° до 400°. С и далее, наращивая скорость остывания до 20° С.Этот процесс шел в печи для отжига, также специально построенной для изготовления б-метрового зеркала.

Первая попытка отливки заготовки зеркала в ноябре 1964 г. закончилась неудачей — на ней возникла трещина. Для изготовления еще двух заготовок было принято решение изменить их форму и режим отжига, а после отжига обрабатывать стекло исключительно алмазными порошками.

Важнейший этап изготовления б-метрового зеркала — придание ему необходимой геометрической формы, т. е. шлифовка, полировка при постоянном контроле точности. А точность и здесь необходима высочайшая отступление от теоретической формы параболоида не должно превышать 0,5 микрона. Для обработки зеркала Коломенским заводом тяжелого станкостроения в 1963 г. был создан специальный карусельный станок, который существует и поныне в рабочем состоянии. Вес заготовки зеркала — 70 тонн, масса готового изделия — 42 тонны. Таким образом, необходимо было снять припуск в 28 тонн. Для изготовления зеркала БТА понадобилось 12 тыс. карат натурального алмаза (!) в виде специальных паст и порошков. Инструмент для шлифовки и полировки зеркала показан на фото 13. Для изготовления первого зеркала БТА из второй заготовки понадобилось 7 долгих лет, однако недостаток опыта производства и контроля крупногабаритной оптики привел к тому, что и этот экземпляр все же оказался с некоторыми дефектами.

Тем не менее, после окончания шлифовки, полировки и контроля качества первое зеркало было упаковано в специальный контейнер и отправлено в обсерваториютемже путем, что и части телескопа,— по воде до г. Ростова-на-Дону, а затем по автодорогам. Зеркало, предназначенное для исследований глубокого космоса, на 150-колесном шасси тянули такие же мощные тягачи, которые перевозят космические ракеты (фото 14). Тянули осторожно, со скоростью 3-4 км в час, с милицейским эскортом, под любопытными и гордыми взглядами соотечественников. 21 августа 1974 г. главное зеркало было доставлено в обсерваторию; после этого предстояло установить его на телескопе и проверить работоспособность всего комплекса.

Сборка Большого Телескопа Азимутального (БТА) окончательно завершилась к концу 1974 г. Зимой 1975 г. после окончательной отладки и проверки всех систем были получены первые фотоснимки небесных объектов.

Общий вид шестиметрового телескопа БТА показан на картинке 15. Каждого, кто впервые видит телескоп БТА, он поражает своей кажущейся легкостью и плавностью движений, хотя на самом деле общий вес вращающихся частей телескопа составляет 650 тонн. Ажурная конструкция, которую называют трубой, практически бесшумно вращается среди громадного подкупольного зала и мало напоминает громоздкие трубы с линзами, созданные в прошлом. Тем не менее, это — именно труба, правда, не закрытая сплошным кожухом. В кожухе просто нет необходимости, так как в ночное время купол надежно защищает оптику от постороннего света. В верхней части трубы находится кабина первичного фокуса, установленная на растяжках массивного кольца. В кабине размещаются различные приемники света, в которых формируются изображения или спектры наблюдаемых объектов. В нижней части трубы расположено 42-тонное параболическое зеркало (фото 17). Следует заметить, что главное зеркало телескопа — это сложный оптико-механический комплекс, в который кроме собственно стеклянной части входят датчики контроля температуры, а также точные механизмы устранения деформаций, которые компенсируют изменения формы зеркала под действием собственного веса. Эти механизмы зеркала с разными усилиями. Всего таких механизмов — 60, они монтируются в 60 глухих отверстий, вырезанных в тыльной части главного зеркала (фото 18).

Отражающая поверхность зеркала покрыта тончайшей алюминиевой пленкой, толщина которой составляет несколько микрон. С течением времени это покрытие тускнеет, и его надо периодически мыть, а примерно раз в пять лет полностью менять. Для этого в башне БТА смонтирована специальная камера — ВУАЗ — Вакуумная Установка Алюминирования Зеркала (фото 19). Зеркало полностью вынимается из оправы и перемещается в эту камеру, где создается вакуум в 10-5 атмосферы. В вакууме испаряется разогретый алюминий, который оседает на поверхности зеркала, а затем в специальном помещении закрепляется химическим способом.

Даже сегодня, в начале 21-го века, многие представляют себе, что процесс наблюдения идет так же, как в далеком прошлом, — астроном поднимается ночью к телескопу, наводит его на звезду или другой объект, долго смотрит в окуляр и, заметив что-то интересное, делает запись в блокноте. Наверное, в 17-19-м веках именно так и было.

Сегодня на смену весьма субъективным впечатлениям наблюдателей пришли строгие и точные измерения, которые делаются специальными приборами, наблюдатель смотрит не в окуляр, а на экран компьютера, который находится достаточно далеко от телескопа (фото 20). Теперь в CAO большинство наблюдений на БТА производится дистанционно, на телескопе работают компьютеры, автоматика, и подниматься туда необходимо только для обслуживания техники или для наладки наблюдательных средств. Романтика визуальных наблюдений полностью исчезла, но на смену ей пришла романтика захватывающих открытий, о которых будет рассказано далее.

Звездные открытия

Большая часть наблюдаемой нами ночью небесной сферы заполнена звездами — светящимися точками различной яркости и цвета. Ученые далекого прошлого считали их божественными огнями, закрепленными на твердой и неподвижной небесной сфере (в древних манускриптах можно часто встретить выражение «небесная твердь»). Сегодня известно, что звезды — это гигантские газовые шары, состоящие в основном из водорода. В их недрах в условиях гигантских давлений (десятки миллиардов атмосфер) и высочайших температур (десятки миллионов градусов) происходит термоядерная реакция синтеза — соединения 4-х атомов водорода в 1 атом гелия. В результате выделяется значительная энергия, которая и делает звезду ярким и горячим космическим объектом. Расстояния от Земли до звезд, даже внутри нашей звездной системы (галактики Млечный Путь), очень велики — от 4-х до нескольких сотен тысяч световых лет. Различная видимая яркость звезд обусловлена не только их разной собственной светимостью, но и, прежде всего, разными расстояниями до них— чем расстояние до звезды больше, тем она кажется более тусклой.

Звезда — это объект, который в течение нескольких миллиардов лет находится в состоянии термодинамического равновесия. Это значит, что сила гравитации пытается стянуть все вещество звезды к ее центру, но в противоположном направлении действует сила давления разогретого газа. При равенстве этих сил звезда стабильна в течение длительного времени. Исследования физических процессов в звездах, их химического состава и эволюции входят в число основных задач CAO РАН.

Когда речь идет о старых или молодых звездах, следует понимать, что их возраст несоизмерим с длительностью жизни человека. Звезды типа Солнца существуют, практически не изменяя своей энергоотдачи, 8-10 миллиардов лет. Однако длительность существования других звезд сильно зависит от их массы. Чем масса больше, тем интенсивнее идут в недрах звезды термоядерные реакции, тем быстрее расходуется термоядерное «топливо», тем меньше срок жизни звезды. Жизнь сверхмассивных звезд длится относительно недолго — не миллиарды, а миллионы или даже сотни тысяч лет. Сверхмассивные звезды с массой 40-120 масс Солнца (астрономы называют их LBV-Luminous Blue Variable, т.е. «яркие голубые переменные») — это редкие, поистине экзотические объекты космоса. Поэтому их поиск и изучение— непростая и очень интересная задача. Сегодня известно всего лишь около десятка самых массивных звезд в Галактике, однако теория предсказывает, что их должно быть несколько десятков.

Еще одна трудность заключается в том, что все до сих пор не открытые LBV скрыты от нас поглощающими свет пылевыми оболочками. По результатам работы инфракрасного космического телескопа «Спитцер» был составлен список объектов — «кандидатов» в LBV, которые позже изучались на БТА спектральными методами. Один из спектров звезды с круговой пылевой туманностью показал, что открыта новая LBV-звезда в Галактике. Это открытие сделали на телескопе БТА астрофизики Государственного астрономического института им. Штернберга (ГАИШ) и CAO РАН — В. В. Гварамадзе, А. М. Черепащук, С. Н. Фабрика и др. Звезде присвоено имя MN112 (фото 21). Судя по результатам исследования MN112, ее эволюция вскоре закончится гигантским космическим фейерверком— взрывом,который приведет к образованию так называемой «черной дыры»— сверхплотного малоразмерного объекта.

Открытие объектов типа LBV становится в CAO РАН традицией. Возможности б-метрового телескопа позволяют открывать их не только в нашей Галактике, но и за ее пределами. Так, в ближайшей из карликовых галактик DD068 в 2008 г. была открыта массивная переменная голубая звезда высокой светимости, также относящаяся по своим свойствам к типу LBV звезд (фото 22). Исследование было выполнено группой астрономов CAO РАН под руководством С. А. Пустильника на б-м телескопе БТА. Открытая ими звезда, скорее всего, через недолгое (разумеется, по космическим меркам) время также взорвется как сверхновая, а затем станет «черной дырой».

Следует отметить, что исследованные на 6-метровом телескопе LBV звезды находятся на весьма далеких расстояниях, имеют небольшую наблюдаемую яркость, поэтому их спектроскопия с помощью спектрографов высокого разрешения была бы малоэффективна. Для изучения этих объектов применяется другой прибор — универсальный редуктор изображения «SCORPIO». Название прибора, разумеется, не имеет никакого отношения к хищным насекомым, это — аббревиатура: Spectral Camera with Optical Reducer for Photometrical and Interferometrical Observations, что переводится как Спектральная Камера с Оптическим Редуктором для Фотометрических и Интерферометрических Наблюдений. Автор этого прибора, не имеющего аналогов, — д.ф-м.н .В.Л.Афанасьев, и именно со «SCORPIO» связано большинство наиболее важных результатов работы обсерватории последних лет (фото 23).

Умирающие LBV звезды — не единственные источники гигантских вспышек во Вселенной. В последние десятилетия XX в. с помощью искусственных спутников Земли, оснащенных телескопами, работающими в диапазонах рентгеновского и гамма-излучения, были зафиксированы вспышки, мощность которых сравнима с излучением целой галактики.

Вспышки в рентгеновском диапазоне излучения случаются относительно часто, а вот гамма-вспышки (специалисты называют их гамма-барстерами, или GRB; они происходят в области гамма-диапазона) фиксируются гораздо реже. Как гамма-барстер, вспышку излучения можно определить только из космоса, и этим постоянно занимаются специальные спутники, которые не только регистрируют сигнал в гамма-диапазоне, но и определяют небесные координаты GRB. Однако вспышка хорошо видна и в видимой области излучения. Снять последовательность спектров такого космического события в видимом диапазоне— значит получить ключ к разгадке природы гамма-барстера. Это— огромная научная удача. В ночь 26-27 июля 2009 г. в CAO РАН получили сообщение о гамма-всплес-ке GRB090726 с космического телескопа SWIFT. Через полчаса после всплеска группой астрономов CAO, которую возглавлял д. ф-м. н. В. В. Соколов, были получены первые изображения (фото 24), на которых был обнаружен слабеющий источник. На телескопе БТА удалось снять и спектр этого объекта.

Природа GRB остается пока невыясненной. Спектры показывают, что такие объекты удалены на расстояния в миллиарды световых лет. Возможно, причиной поистине чудовищной мощности гамма-барстеров является столкновение двух массивных нейтронных звезд.

Впрочем, в астрофизике интерес могут представлять не только исключительно удаленные объекты. Яркие события (в прямом смысле) в жизни звезд происходят и в близких областях космоса. На картинке 25 показано «световое эхо» так называемой «новой» звезды в созвездии Единорога. Эта необычная красная новая звезда V838 вспыхнула в январе 2002 г. Вспышка была столь мощной, что для получения снимка не понадобился 6-метровый телескоп — снимок сделан на 1-метровом телескопе CAO РАН сотрудниками лаборатории физики звезд, которой руководит д. ф-м. н. С. Н. Фабрика. «Световое эхо» вспышки выглядит как концентрическая туманность — свет отражается от межзвездных газопылевых облаков. Расстояние до новой звезды составляет всего 13 тысяч световых лет.

Возможности 6-метрового телескопа БТА отнюдь не ограничиваются способностью делать видимыми сверхдалекие и сверхслабые космические источники света. В соответствии с законами оптики, чем больше диаметр зеркала, тем лучше можно определить структуру объектов, состоящих из нескольких компонентов. Теоретическое разрешение телескопа с 6-метровым зеркалом составляет 0,02 угл. секунды. Это должно позволить распознать изображение тесной группы звезд не как единого целого, а как звездной системы, состоящей из нескольких отдельных звезд (как говорят специалисты — «разрешить ее» на компоненты). Длительные наблюдения такой системы могут дать возможность определить орбиты движения ее составляющих, а значит — и их массы! Это, пожалуй, один из немногих способов прямого измерения звездных масс, что весьма важно для изучения эволюции звездных систем.

Однако разрешающая способность телескопа, даже такого крупного, как БТА, существенно ограничена земной атмосферой. Наблюдения сквозь слой воздуха толщиной 100 км, в котором непрерывно происходят вихревые движения (турбулентности), искажают изображения космических тел. Тем не менее, существует метод, который позволяет эти искажения скомпенсировать и добиться теоретического предела разрешающей способности. Этот метод получил название спекл-интерферометрии. Суть его в том, что светоприемное устройство регистрирует серию из нескольких тысяч сильно увеличенных изображений в виде размытого атмосферой пятна (пятно по-английски — speckle, отсюда и название метода). Затем компьютер подвергает эти снимки математической обработке, отыскивая в изображениях идентичные детали, складывает их, восстанавливая таким образом картинку объекта. Система для спекл-интерферометрии на БТА была разработана в Лаборатории методов астрономии высокого разрешения CAO под руководством члена-корреспондента РАН Ю. Ю. Балеги.

Возможности метода хорошо иллюстрирует снимок молодой тройной звездной системы S140 IRS3 (фото 26), окруженной газовыми оболочками. Область изображенного пространства — всего 7 угловых секунд, но структура объекта выявлена во всех деталях.

Путешествия к галактикам

Галактики — это гигантские острова материи, состоящие из сотен миллиардов звезд и газа. Расстояния между ними поистине колоссальны. Сегодня известно, что до ближайшей к нам крупной спиральной галактики в созвездии Андромеды («Туманности Андромеды») — 2,3 млн. св. лет. Еще в конце 19-го века шли споры о том, где находятся эти объекты и что они из себя представляют. Недостаточные возможности телескопов и отсутствие надежных методов определения расстояний приводили к самым различным гипотезам. Предполагалось, в том числе, что это — обычные газовые туманности, каких немало в Млечном Пути. Их стали называть галактиками. Гигантский для своего времени телескоп, построенный в Ирландии лордом Россом (1845 г.), позволил ему увидеть, что некоторые туманности имеют спиральную форму.Уверенно разрешить ближайшие из этих «туманностей» на звезды удалось лишь после того, как в США был построен 2,5-метровый зеркальный телескоп Маунт Вилсон. Вскоре после этого появилась возможность измерять расстояние до этих объектов. Спиральные туманности оказались звездными системами, удаленными на расстояния от миллионов до миллиардов (!) световых лет. Область науки, изучающая объекты вне Млечного Пути, называется внегалактической астрономией. БТА позволяет подробно изучать в ближайших галактиках отдельные звезды методами спектрального анализа. Что же касается более далеких объектов, то многие из них доступны б-метровому телескопу, даже если расстояния до них составляют сотни миллионов и миллиарды световых лет. Подробные снимки далеких галактик были получены уже в первые годы наблюдений в CAO.Изображения галактик М51 и М81 этого периода, сделанные на стеклянных фотопластинках, представлены на фото 28.

Сегодня телескоп позволяет получать цветные изображения галактик из весьма удаленных областей пространства. Некоторые галактики, снятые на БТА, показаны на фото 29-33. Самая далекая из них находится на расстоянии ~ 350 млн. световых лет. Для регистрации изображений этих галактик использовались уже не фотопластинки, применение которых ушло в прошлое в конце 20-го столетия, а специальная полупроводниковая матрица, своего рода электронная фотопластинка, подобная тем, которые работают в цифровых фотокамерах. Ее главная особенность состоит в том, что она охлаждается в жидком азоте до температуры —190 °С для уменьшения тепловых шумов. Эта матрица встроена в сложный электронный прибор, способный работать совместно с компьютером, в памяти которого и накапливается изображение. Такой прибор — ПЗС-фотометр — был спроектирован и изготовлен в одной из лабораторий CAO РАН под руководством кандидата технических наук С. В.Маркелова. ПЗС-фотометр (см. фото 34) позволил астрономам CAO РАН не только получать фотографии, но и детально исследовать галактики.

Интересно, что новые возможности, которые появляются при создании более совершенной светоприемной аппаратуры для телескопов, позволяют более детально исследовать обнаруженные ранее объекты. При изучении архивных астрономических изображений группа астрономов из Кембриджа обнаружила интересный объект, природа которого была неизвестна,— красную галактику, окруженную голубым кольцом (фото 35).

Для ее изучения требовалось получить оптический спектр, но с такой задачей мог справиться только очень мощный инструмент. Поэтому 15 мая 2007 г. были проведены наблюдения на б-метровом телескопе CAO РАН. Всего за час экспозиции с помощью многорежимного прибора «SCORPIO» астроному CAO А. В. Моисееву удалось получить спектры необходимого качества, анализ которых привел к интересному открытию: объект оказался «гравитационной линзой». Спектр голубого кольца соответствует более молодой и очень далекой галактике — анализ спектра показывает, что свет от нее идет примерно 9 миллиардов (!) лет. Центральная часть объекта является эллиптической галактикой (расстояние — порядка 4-х миллиардов световых лет), цвет которой определяется старыми звездами солнечного типа. Эта массивная и более близкая галактика отклоняет идущие от дальней галактики лучи своим гравитационным полем, и они преломляются, как в огромной линзе. В данном случае линза не только вытягивает изображение в кольцо, но и более чем в 30 раз усиливает его яркость. Из-за характерной формы открытый на БТА объект получил имя «Космическая подкова».

Дальнейшее наращивание возможностей телескопа БТА связано, прежде всего, с установкой нового главного зеркала. За сорок лет работы зеркало БТА ежегодно подвергалось мойке, а каждые пять лет его отражающее алюминиевое покрытие смывалось и наносилось новое. Эта операция не проходит бесследно для поверхности зеркала, так как щелочные растворы, которые применяются при удалении алюминиевого слоя, постепенно разъедают ее. Такой процесс называют эрозией поверхности. При этом отражающие свойства заметно ухудшаются и «зоркость» телескопа становится меньше. Мы уже упоминали, что первое зеркало, изготовленное для БТА, оказалось недостаточно хорошего качества. В 1979 г. его сняли и заменили на более качественное, сделанное из третьей отливки. Все прошедшие годы снятое зеркало хранили в специальном контейнере, и теперь принято решение отправить его на завод оптического стекла (г. Лыткарино Московской обл.) на переполировку, которая будет выполнена с применением новейших технологий. После переполировки оно будет установлено на 6-метровый телескоп, который сможет после этого давать изображения в 10 раз лучшего качества, чем сегодня. Мы не сомневаемся, что это приведет к новым интересным результатам наблюдений и новым открытиям.

Младшие помощники

Организация наблюдений на больших телескопах — достаточно сложное и хлопотное дело. Крупные инструменты — это довольно дорогие во всех отношениях машины, причем не только потому, что велика их стоимость. Время наблюдений с учетом всех расходов (материалы, энергия, транспорт, зарплата персонала и пр.) также стоит совсем немало. Поэтому каждая минута этих наблюдений должна использоваться исключительно эффективно. Но для того, чтобы обеспечить эту эффективность, необходимо тщательно доводить до совершенства новую астрофизическую аппаратуру, испытывать ее в условиях реальных наблюдений, проводить предварительные исследования астрономических объектов, чтобы отсеять из общего их количества те, которые не представляют интереса для основных наблюдательных программ. Эта необходимая подготовка может отнимать значительную часть времени.

Есть еще одно соображение, которое следует учитывать при планировании работы таких телескопов как БТА.Многие достаточно яркие небесные объекты очень интересны с точки зрения астрофизики, но для того, чтобы их изучать, вовсе не нужны телескопы с многометровыми зеркалами — разумнее применять инструменты более скромных размеров.

Учитывая эти обстоятельства, в каждой крупной обсерватории имеются так называемые телескопы поддержки. Имеются такие инструменты и в CAO РАН. Самый большой из них — 1-метровый телескоп ЦЕЙСС-1 ООО (фото 39).

В отличие от БТА, этот телескоп был изготовлен не в России (СССР), а в Германии (ГДР). Этот серийный астрономический инструмент был куплен еще до ввода в строй БТА. Планировалось, что он будет быстро установлен неподалеку от места основного б-метрового телескопа, и, пока будет идти его строительство, астрономы будут вести наблюдения на ЦЕЙСС-1 ООО и с его помощью определять основные направления будущих научных исследований на БТА. Но получилось по-другому. Все силы и средства были брошены на запуск главного телескопа обсерватории, а 1-метровый все это время находился на складе в упакованном виде. И лишь в 1989 году ЦЕЙСС-1 ООО приступил к работе.

Однако для современных астрофизических наблюдений этот телескоп был непригоден. Он изначально предназначался в основном для получения снимков на фотопластинках, не имел ни современной системы управления, ни современных светоприемных устройств, способных формировать изображения в цифровом формате. Поэтому в течение трех лет инженеры обсерватории провели серьезную модернизацию, в результате которой ЦЕЙСС-1 ООО стал полностью автоматизированным инструментом.

Он оказался простым в эксплуатации и надежным настолько, что даже совсем неопытные наблюдатели справляются с ним, не прибегая куслугам инженеров. Достаточно лишь ввести координаты наблюдаемого объекта, и телескоп точно наводится в нужную область небесной сферы, при этом купол синхронно разворачивается вместе с его трубой. Особенно отчетливо проявились возможности 1-метрового телескопа при исследованиях кометы Хейла-Боппа в 1997 году. Специфика наблюдений этого интереснейшего объекта была такова, что требовались многократные перенаведения в строго определенные его точки, причем в течение нескольких ночей. С этой задачей телескоп справился самым наилучшим образом. ЦЕЙСС-1 ООО и теперь используется для исследований ярких звезд, испытаний новой аппаратуры и отработки различных новых астрофизических методов.

Окно в Радиовселенную

Излучение из космоса — это не только видимый свет, космические объекты излучают электромагнитные волны во всех диапазонах, они могут испускать инфракрасное, рентгеновское и даже гамма-излучение. Точно так же практически все космические тела — звезды, галактики, планеты, газовые туманности и пр.— излучают и в диапазоне радиоволн. Радиоизлучение, как и оптическое, несет в себе важную информацию о происходящих в космосе процессах. Поэтому современная астрофизика не может обходиться и без радиоастрономических наблюдений.

В CAO РАН радиоастрономические наблюдения проводятся на одном из самых больших в мире радиотелескопов, который называется РАТАН-600 (фото 40). Название этого радиотелескопа обозначает: Радио Астрономический Телескоп Академии Наук — 600 метров. Последнее число— это диаметр кольцевой антенны (металлического зеркала). Даже по меркам нынешнего времени, радиотелескоп РАТАН-600— это гигантский астрономический инструмент, который можно рассмотреть невооруженным взглядом с околоземной орбиты! Строительство этого радиотелескопа началось в 1968 г. Место для его установки выбрано на южной окраине станицы Зеленчукской, в 24 км от оптического 6-метрового телескопа БТА. Это сделано специально для того, чтобы в структуре одной обсерватории находились два крупнейших инструмента, наблюдения которых органично дополняли бы друг друга и давали бы по возможности наиболее полное представление о физических процессах в наблюдаемых объектах. Площадка для РАТАНа удалена от больших промышленных предприятий и окружена по горизонту кольцом гор, которые защищают ее от дальних наземных помех

Каковы же характеристики этого гигантского радиотелескопа? Антенна — составное кольцевое металлическое зеркало, состоящее из 895 алюминиевых щитов,— имеет общую площадь 15 тыс. кв. метров. Точность определения координат наблюдаемого объекта— от 1 до 10 угловых секунд. Максимальное угловое разрешение — 2 угловые секунды, что вполне сопоставимо с реальным (с учетом воздействия атмосферы) разрешением оптического рефлектора БТА.При этом РАТАН способен принимать радиоволны в широком участке сантиметрового диапазона — от 1 до 50 сантиметров. Поразительна и способность радиотелескопа различать полезную информацию на фоне различных помех и шумов. Можно было бы привести величину, характеризующую эту способность, но нагляднее всего было бы выразить ее, использовав образное сравнение. Представьте себе систему, которая способна различить комариный писк на фоне артиллерийской канонады! Именно таков радиотелескоп РАТАН-600.

В сооружении радиотелескопа,также, как и при строительстве БТА, принимали участие многие организации, институты и заводы нашей страны. Строительством этого инструмента, формированием научного коллектива и программ исследований с самого начала руководил Юрий Николаевич Парийский, ныне — академик РАН, главный научный сотрудник радиоастрономического отдела CAO РАН.

Радионаблюдения

Наблюдения на радиотелескопе начались в марте 1977 года. Первым объектом радионаблюдений стала самая близкая звезда— наше Солнце. Солнце— центральный объект нашей Солнечной системы. Процессы, которые происходят на Солнце, оказывают сильнейшее влияние на земную атмосферу. Вспышки на Солнце выбрасывают в окружающее пространство громадное количество заряженных частиц, которые, врываясь в земную ионосферу, деформируют магнитное поле нашей планеты («магнитные бури»), нарушают радиосвязь, работу электросетей и т. п.

Сегодня известно, что от активности Солнца зависят урожай, количество эпидемий, аварий на дорогах, ураганов — многое из того происходит в нашей повседневной жизни. По этой причине изучение Солнца, в том числе радиометодами,— исключительно важная задача, и не только научная, но в известной мере и практическая. Как оказалось, вспышки можно не только наблюдать, но и прогнозировать (фото 41).

В отличие от астрономии оптической, методы радиоастрономии не позволяют получать красочные многоцветные картинки. Ее результаты, как правило, представляются в виде графиков, таблиц, одноцветных радиокарт с линиями равной яркости, которые называют радиоизофо-тами.Тем не менее, несмотря на это, важность этих результатов несомненна. Наибольшей их наглядности можно достичь, если совместить радиоизображение наблюдаемого объекта с изображением оптическим. На картинке 42 (слева) показано совмещение оптического изображения самой мощной радиогалактики в ранней Вселенной, родившейся в первый миллиард лет ее существования (голубое поле в центре), и радиокарты, выполненной в виде изофот— концентрических фигур красного, зеленого и синего цвета. Хорошо видно, что максимум радиояркости приходится на компактную область, находящуюся вблизи центра оптического изображения. Углубленный анализ процессов, которые происходят в радиогалактике, позволяет реконструировать картину того, как она выглядит со стороны. В центре этого объекта, скорее всего, находится массивная «черная дыра», вокруг которой образовался стремительно вращающийся газопылевой диск. В этом диске (астрофизики называют такие диски аккреционными — от слова «аккреция», т. е. падение) падающее на «черную дыру» вещество разгоняется до скоростей, близких к скорости света, и на внутренней стороне диска создается громадное давление. В результате этого вдоль оси вращения диска в пространство выбрасываются с субсветовой скоростью две струи вещества (справа).

Применение радиоастрономических методов показывает, как оптические и радиотелескопы гармонично дополняют друг друга. Оптический телескоп может определить точные координаты протяженного объекта. Это дает возможность просканировать его с помощью радиотелескопа и получить своеобразный «радиоразрез»— график изменения интенсивности радиоизлучения по всему его поперечнику. Зеленая линия на картинке 43— график, полученный при наблюдениях на радиотелескопе РАТАН-600, показывает значительное увеличение радиояркости на волне 31 см в центре нашей галактики Млечный Путь. Исследовать центр Млечного Пути в оптическом диапазоне электромагнитных волн невозможно, так как он закрыт от нас плотной массой пыли и межзвездного газа. Но эта среда не является препятствием для радиоволн. Поэтому радиоастрономические методы являются единственным средством изучения объектов, скрытых внутри космических газопылевых облаков.

Все результаты исследований и наблюдений, которые выполнены на РАТАНе астрономами CAO РАН, астрономических центров России и других стран, невозможно привести в коротком популярном очерке. Однако хотелось бы все-таки рассказать еще об одной программе, исключительно важной для науки. Речь пойдет об изучении так называемого «реликтового фона».

В соответствии с основной гипотезой об образовании Вселенной, ее существование началось с быстрого расширения так называемой «сингулярной», т. е. сверхплотной и сверхкомпактной частицы, т. е. с ее «взрыва», хотя понятие взрыва в данном случае не совсем корректно, поскольку тогда не существовало ни времени, ни пространства как таковых. В астрофизике это событие изначально называлось «большой хлопок». После «хлопка» прошло несколько этапов преобразования Вселенной, в результате чего возникли атомы, а затем галактики, звезды и другие формы материи. Последствия «Большого хлопка» и теперь можно наблюдать в виде расширения Вселенной — разбегания галактик, а также так называемого «реликтового» радиоизлучения или фона. Здесь надо сделать одно важное замечание. Температура межгалактического пространства исключительно мала. Если максимально низкая температура, возможная в природе, составляет -273°С (абсолютный ноль = 0 Кельвинов), то температура пространства, о котором идет речь, не превышает 3 К, т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля. Однако в соответствии с законами физики, любое тело или среда, обладающие температурой, отличной от 0, излучают радиоволны.

Радиоизлучение, соответствующее 3 К, несет ценнейшую информацию о той эпохе истории Вселенной, когда не было еще галактик и звезд, т.е. о первых годах ее существования. Изучение реликтового излучения, его свойств, его неоднородностей может дать ответы на ряд основополагающих вопросов о происхождении нашего Мира. Почему энергетические пропорции элементарных частиц и атомных ядер нашей Вселенной именно таковы, а не иные? Почему химический состав именно таков? Как возникли галактики?

Для изучения реликтового фона Вселенной необходимы радиотелескопы с хорошим пространственным разрешением и высочайшей чувствительностью. Этими характеристиками, несомненно, обладает радиотелескоп РАТАН-600. Именно поэтому еще в конце XX в. здесь началась исследовательская программа «Ген Вселенной», в рамках которой идет изучение реликтового радиоизлучения Вселенной.

РАТАН-600 почти непрерывно модернизируется и совершенствуется. Он оснащается новейшими радиоприемными устройствами, чувствительность которых в десятки раз возросла по сравнению с первыми приемниками, применявшимися 30 лет назад. Специальная лаборатория следит за тем, чтобы поверхность антенны была близка к идеальной. Наблюдения на радиотелескопе, в отличие от телескопа оптического, идут круглые сутки. Они наверняка продолжаются и сейчас, когда уважаемый читатель держит в руках этот журнал.

Многоволновая астрономия

Еще в первой половине прошлого века астрономия и астрофизика были связаны исключительно с оптическими наблюдениями. Позже к ним прибавилась радиоастрономия. И только с началом космической эры, которая была открыта запуском первого советского искусственного спутника Земли в 1957 году, появилась возможность наблюдать космос во всех диапазонах— в радио-, в оптическом, инфракрасном, в рентгеновском и гамма-излучениях. Для этого запущены и орбитальные телескопы, которым не мешают ни различные техногенные помехи, ни атмосфера нашей планеты. Такие телескопы регистрируют явления и объекты, которые просто невозможно наблюдать с Земли. На рубеже XX-XXI веков астрофизика стала всеволновой.

Казалось бы, надо ли теперь строить большие телескопы на Земле? Оказывается, для развития науки это крайне необходимо.

Космические телескопы удалены от наблюдателей, они управляются дистанционно, и перенастроить такой телескоп или переоснастить его новым оборудованием, как правило, невозможно. Кроме того, космические телескопы имеют ограниченный срок службы. Высота их орбит постоянно уменьшается из-за трения в верхних слоях атмосферы, и ее надо стольже постоянно восстанавливать. На это расходуется рабочее вещество маневровых двигателей, пополнять которое — весьма дорогостоящая операция,требующая дополнительных запусков пилотируемых аппаратов для обслуживания. По этой же причине трудновыполним и ремонт оборудования. Многие приборы для астрофизических исследований имеют большую массу и большие габариты, их вывод на орбиту пока невозможен. И, наконец, для успеха наблюдений во многих случаях желательно присутствие астронома возле телескопа, но далеко не каждый астроном-наблюдатель способен быть космонавтом.

С другой стороны, в последние десятилетия появились технологии создания телескопов с составными зеркалами сколь угодно большого диаметра — 25,40 и даже 100 м! Как уже отмечалось выше, имеются способы компенсировать влияние атмосферы Земли, и эти способы тем эффективнее, чем больше диаметр зеркала наземного телескопа. В сущности, астрофизика — это та область науки, в которой имеется огромное число задач, для решения которых нужны разные телескопы — и космические, и наземные, и очень большие, и достаточно скромные по размерам. Их гармоничное использование и сочетание позволит успешно исследовать любые астрофизические проблемы наиболее рациональным путем. Поэтому астрономия и астрофизика стали полем сотрудничества ученых всего мира.

 Среди гор и лесов

Место, где находится Специальная астрофизическая обсерватория,— поселок Нижний Архыз. В долине реки Большой Зеленчук, на ее правом берегу, в 24 км на юг от станицы Зеленчукской (Карачаево-Черкесская республика), на высоте около 1100 м над уровнем моря расположились здания лабораторий, офисов, жилые дома ученых и специалистов. Здесь же построены школа, гостиница, дом культуры, стадион — все, что необходимо для комфортной жизни и плодотворной работы. Телескоп БТА установлен выше — около 2070 м над уровнем моря. Вокруг поселка— густой буковый лес. По оценкам специалистов-биологов, буковые леса — самые мощные фабрики кислорода на Земле. Не зря поселок астрономов имеет еще одно название— Буково. Буково входит в территориальный комплекс Архыза, который простирается в бассейне реки Большой Зеленчук от села Нижняя Ермоловка до Главного Кавказского хребта. Несколько его вершин хорошо просматриваются от Верхней научной площадки (ВНП) обсерватории. Этот район знаменит не только замечательными горными пейзажами, но и десятками красивейших озер, чистейшей водой горных рек, которые берут свое начало от ледников и водопадов. Не случайно вода «Архыз», которая добывается здесь, считается одной из самых экологически чистых в мире.

И все же, самое главное, для чего существует Специальная астрофизическая обсерватория, ее телескопы, поселок специалистов, — это научные исследования далекого космоса. За многие годы существования CAO РАН здесь сложился крепкий коллектив специалистов самой высокой квалификации, ученых с мировой известностью. Это замечательные люди, энтузиасты своего дела, которые оставили большие города и приехали сюда ради того, чтобы в горах Карачаево-Черкесии заработал астрофизический научный центр мирового уровня.

Разумеется, стечением времени будут строиться еще более крупные телескопы, изменятся и станут более совершенными методы наблюдений. Но мы надеемся, что те результаты, которые дают телескопы БТА и РАТАН-600, всегда будут иметь важное значение для отечественной и мировой науки.

Владимир Романенко
By Vladimir Romanenko

Сотрудничество

Международный журнал культурной и деловой жизни "Золотая площадь" пргиглашает к сотрудничеству компании и частных лиц. Вы можете размещать рекламу на страницах печатного издания и в электронной версии журнала в виде рекламных материалов, баннеров, видеороликов, по лучшим ценам и на лучших условиях.

Читать...

О нас

«Золотая площадь». Международный журнал культурной и деловой жизни.
The Golden Plaza. International Magazine of Culture and Business.
Свидетельство о регистрации средств массовой информации:
Москва, Федеральная служба по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), Эл № ФС77-49585 от 24 апреля 2012 г.
Учредитель: Индивидуальный предприниматель Эркенов Рашид Адамович.
Главный редактор журнала «Золотая площадь» Аппаев Билял Добаевич.
Издатель: индивидуальный предприниматель Эркенов Рашид Адамович. Адрес издателя: 369380, КЧР, Малокарачаевский район, с. Учкекен, ул. Ленина, 89а.

Контакты

filePxZu

Адрес редакции:
Россия, 369380, КЧР
Малокарачаевский район
с. Учкекен, ул. Ленина, 89а.
email: info@goldenplazamagazine.ru
Тел. 8 87877 2-55 37